Wichtiger Prozess für Regen und Schnee erstmals im Labor nachgewiesen: Eiskeim-Bildung aus Gasen

Eiskeime beeinflussen die Eisbildung in Wolken, welche wiederum der erste wichtige Schritt in der Entstehung von Niederschlägen in der Atmosphäre ist. Foto: Tilo Arnhold, TROPOS

Eiskeime beeinflussen die Eisbildung in Wolken, welche wiederum der erste wichtige Schritt in der Entstehung von Niederschlägen in der Atmosphäre ist.

Das als Eiskeimvorläufer verwendete Alpha-Pinen-Gas wird in großen Mengen natürlich durch Wälder gebildet. Die beobachteten Effekte sollten daher künftig auch in den globalen Klimamodellen berücksichtigt werden, so die Studie.

Dem CLOUD-Konsortium, an dem unter der Leitung der Goethe-Universität Frankfurt insgesamt 21 Institute beteiligt sind, gelang damit ein weiterer wichtiger Nachweis.

Mischphasenwolken, d.h. mittelhohe Wolken im Höhenbereich zwischen ca. 2000 und 6000 Metern, bestehen aus flüssigen unterkühlten Wassertropfen und Eispartikeln, d.h. gefrorenen Tropfen. In Mischphasenwolken kommt speziell den Eispartikeln eine große Bedeutung zu. Sie spielen einerseits im Klimasystem der Erde eine wichtige Rolle weil sie Sonnen- und Wärmestrahlen anders reflektieren als flüssiges Wasser.

Andererseits ist die Entstehung von Eis auch der mit Abstand wichtigste Prozess zur Bildung von Niederschlag, bei dem nach wie vor viele Fragen offen sind. Entsprechend zählt die Vorhersage von Niederschlägen immer noch zu den größten Unsicherheiten bei der Wetterprognose.

Mit Modellen, Feldmessungen und Laborversuchen versucht die Wissenschaft daher, die Eisbildung in Wolken besser zu verstehen. Dazu gehören zum Beispiel die Anzahl, Größe, Variabilität, chemische Zusammensetzung, Oberfläche und weitere physikalisch-chemischen Eigenschaften der atmosphärischen Eiskeime und Eispartikel.

Damit es auf der Erde regnen kann, müssen Wolkentropfen ausreichend groß und schwer sein, sodass sie aus der Wolke heraus fallen können. Damit Wolkentropfen entsprechende Größe und Gewicht erreichen können müssen sie zunächst gefrieren. Die homogene Eisbildung, also das selbstständige Gefrieren unterkühlter Wassertropfen, läuft in der Erdatmosphäre erst bei Temperaturen unter -38 Grad Celsius ab.

Sind an dem Gefrierprozess der Wolkentropfen dagegen Eiskeime (z.B. Aerosolpartikel) beteiligt, wird dieser Gefrierpunkt deutlich nach oben verschoben. Die Eiskeimeigenschaften von verschiedenen Mineralstäuben, Aschen und von biogenen Eiskeimen stehen im Zentrum von Aktivitäten am TROPOS (u.a. im Rahmen der von der Goethe-Universität Frankfurt am Main koordinierten DFG-Forschergruppe INUIT (Ice Nuclei Research Unit)).

So wurde beispielsweise im Wolkenlabor des TROPOS in Leipzig der Eis-bildende Proteinkomplex eines Bakteriums getrennt vom Bakterium selbst untersucht. Hierbei konnte gezeigt werden, dass der Proteinkomplex unabhängig von seinem ursprünglichen Träger und in Mischungen mit mineralischen Partikeln weiterhin das Gefrieren von Wolkentropfen hervorrufen kann. „Dies hat unser Bild hinsichtlich der Wichtigkeit biologischer Partikel in der atmosphärischen Eisbildung beträchtlich verändert“, sagt Dr. Frank Stratmann.

Nach Mineralstaub- und biologischen Partikeln rücken nun auch aus organischen Vorläufergasen gebildete Partikel in den Fokus der Wolkenforschung. Im Rahmen der jetzt veröffentlichen Studie wurden so genannte sekundäre organische Aerosolpartikel (SOA-Partikel) in der CLOUD-Kammer am CERN in Genf während des Experiments CLOUD9 im Oktober/November 2014 untersucht.

Erzeugt wurden diese Partikel durch die Ozonolyse von Alpha-Pinen bei vier verschiedenen Temperaturen, die typisch für Prozesse in der freien Troposphäre sind: -10, -20, -20 und -38° Celsius. Dabei wurde mit Hilfe von UV-Licht die Bildung von Ozon und Hydroxyl-Radikalen angeregt und es bildeten sich Partikel, die unter weiterer Zugabe von Alpha-Pinen und Ozon auf Größen von etwa 700 Nanometer anwuchsen. Die Fähigkeit dieser SOA-Partikel, als Eiskeime zu wirken, konnte mit einem sogenannten Spektrometer für Eiskeime (SPIN), einem neuartigen im Rahmen des CLOUD-12-Projektes vom BMBF finanzierten Messgerätes, nachgewiesen werden.

Mit Hilfe des globalen Aerosolmodells GLOMAP konnte das internationale Team anschließend die Auswirkungen auf die Atmosphäre abschätzen. Dabei zeigte sich, dass die aus dem Gas Alpha-Pinen gebildeten SOA-Partikel tatsächlich zur Eisbildung in Wolken beitragen könnten – nicht nur über den borealen Nadelwälder der Nordhemisphäre, sondern auch über den Regenwäldern der Tropen.

Dort können sie offenbar sogar zur Bildung der von Zirruswolken in größeren Höhen, d.h. oberhalb von sieben Kilometern, beitragen. „Es ist wahrscheinlich, dass ein Teil der aus biogenen Vorläufergasen gebildeten Partikel in der Atmosphäre Mischungen mit Sulfaten oder anderen Partikelmaterialien wie Mineralstaub bildet. Dadurch verändert sich ihre Wirkung als Eiskeim, was es schwer macht, die Wirkung im Detail abzuschätzen“, erklärt Karoliina Ignatius vom TROPOS, die die Arbeiten in Genf durchgeführt hat.

„Bis heute sind Partikel aus biogenen Vorläufergase als Eiskeime in den Klimamodellen nicht berücksichtigt. Das ist eines von vielen Beispielen, die zeigen, weshalb auch im jüngsten Bericht des Weltklimarates IPCC der Einfluss von Aerosolpartikeln und Wolken immer noch zurecht als der größte Unsicherheitsfaktor in allen Klimamodellen eingestuft wird“, unterstreicht Dr. Frank Stratmann, Leiter des TROPOS-Wolkenlabors. Dabei ist seit dieser Studie klar: Nicht nur mineralische oder biologische Partikel können großen Einfluss auf das Gefrieren von Wolken und damit auf Wetter und Klima haben. Auch Partikel aus biogenen Vorläufergasen wie Alpha-Pinen spielen ebenfalls eine Rolle in diesen komplexen Prozessen.
Tilo Arnhold

Publikation:
Karoliina Ignatius, Thomas B. Kristensen, Emma Järvinen, Leonid Nichman, Claudia Fuchs, Hamish Gordon, Paul Herenz, Christopher R. Hoyle, Jonathan Duplissy, Sarvesh Garimella, Antonio Dias, Carla Frege, Niko Höppel, Jasmin Tröstl, RobertWagner, Chao Yan, Antonio Amorim, Urs Baltensperger, Joachim Curtius, Neil M. Donahue, Martin W. Gallagher, Jasper Kirkby, Markku Kulmala,
Ottmar Möhler, Harald Saathoff, Martin Schnaiter, Antonio Tomé, Annele Virtanen, DouglasWorsnop, and Frank Stratmann (2016): Heterogeneous ice nucleation of viscous secondary organic aerosol produced from ozonolysis of Alpha-pinene. Atmos. Chem. Phys., 16, 6495–6509, 27 May 2016. doi:10.5194/acp-16-6495-2016.
http://www.atmos-chem-phys.net/16/6495/2016/

Die Untersuchungen wurden gefördert durch Europäische Union (Marie Curie
Initial Training Networks MC-ITN CLOUD-TRAIN), das Bundesministerium für Bildung und Forschung Deutschlands (BMBF-Projekt CLOUD-12), den Schweizerischen Nationalfonds zur Förderung der wissenschaftlichen Forschung (SNSF), NordForsk (Nordic Centre of Excellence „Cryosphere-Atmosphere Interactions in a Changing Arctic Climate“/CRAICC), die National Science Foundation der USA (NSF), die Akademie Finnlands und den Europäischen Forschungsrat (ERC).

Weitere Infos:
Dr. Frank Stratmann/ Karoliina Ignatius, Leibniz-Institut für Troposphärenforschung (TROPOS)
Tel.: +49-341-2717-7142, -7165
http://www.tropos.de/institut/ueber-uns/mitarbeitende/frank-stratmann/
https://www.tropos.de/institut/ueber-uns/mitarbeitende/karoliina-ignatius/
und
Dr. Jasper Kirkby, CERN, Genf, Schweiz
Tel.: +41-22-767-4593
http://cloud.web.cern.ch/content/jasper-kirkby
und
Prof. Joachim Curtius, Johann Wolfgang Goethe-Universität Frankfurt/Main
Tel. +49-69-798-40258
https://www.uni-frankfurt.de/44625400/Joachim-Curtius
oder
Tilo Arnhold, TROPOS-Öffentlichkeitsarbeit
Tel. +49-341-2717-7189
http://www.tropos.de/aktuelles/pressemitteilungen/

Links:
Projekt CLOUD (Cosmics Leaving Outdoor Droplets)
http://cloud.web.cern.ch/

Weshalb gefriert Wasser in den Wolken zwischen -5 und -38° Celsius?
verschiedenste Arten von Eiskeimen haben großen Einfluss auf Klima und Niederschläge (Pressemitteilung vom 11.02.2015)
https://www.tropos.de/aktuelles/pressemitteilungen/details/weshalb-gefriert-wass…
„Leipzig Aerosol and Cloud Interaction Simulator“ (LACIS)
http://www.tropos.de/forschung/grossprojekte-infrastruktur-technologie/technolog…
Untersuchungen zum Immersionsgefrieren im LACIS-Labor
http://www.tropos.de/forschung/aerosol-wolken-wechselwirkungen/prozessstudien-au…
AG Wolken des TROPOS:
http://www.tropos.de/institut/abteilungen/experimentelle-aerosol-und-wolkenmikro…

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